Vật liệu gốm đầu tiên trên thế giới uốn cong như kim loại

[june04]

Nhóm nghiên cứu sử dụng silicon nitride để tạo ra loại gốm bền chắc, nhẹ, chịu được nhiệt độ cao và dễ uốn, có tiềm năng ứng dụng lớn.


Các chuyên gia sử dụng silicon nitride để tạo ra những trụ nano chứa hai loại cấu trúc tinh thể (màu xanh lá cây và màu cam). Ảnh: Chen Kexin

Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển vật liệu gốm đầu tiên trên thế giới có thể uốn cong như kim loại, SCMP hôm 25/11 đưa tin. Nhà khoa học vật liệu Chen Kexin tại Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (NSFC) cùng các đồng nghiệp từ Đại học Thanh Hoa công bố nghiên cứu mới trên tạp chí Science. Họ cho biết, sẽ tiếp tục cải tiến vật liệu mới.

Độ dẻo và độ bền chắc từng được coi là những tính chất đối nghịch của gốm: việc tăng tính chất này thường đồng nghĩa với giảm tính chất kia. Nhưng vật liệu mới, có độ cứng của gốm và tính mềm dẻo của kim loại, là ví dụ đầu tiên cho thấy có thể cải thiện cả hai cùng lúc.

Nhóm nghiên cứu sử dụng silicon nitride để tạo ra các trụ nano chứa hai loại cấu trúc tinh thể. Khi bị ngoại lực tác động, loại cấu trúc tinh thể này có khả năng biến đổi thành loại kia, cho phép vật liệu uốn cong rồi trở lại hình dạng ban đầu.

Vật liệu mới có thể rất hữu ích trong việc chế tạo các động cơ hàng không vũ trụ. Gốm bền chắc, nhẹ và chịu được nhiệt độ cao. Động cơ làm bằng gốm mềm dẻo có thể vận hành ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với động cơ hợp kim truyền thống và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Động cơ gốm cũng sẽ nhẹ hơn đáng kể so với động cơ hợp kim, giúp tăng tốc nhanh hơn nhiều. Việc giảm trọng lượng động cơ sẽ làm giảm áp lực cho các bộ phận khác.

Vật liệu mới cũng có thể được sử dụng trong động cơ ôtô. Do gốm chịu nhiệt tốt hơn hợp kim, động cơ gốm chỉ cần bình chứa chất làm mát nhỏ hơn. Nhiệt độ đốt cháy cao hơn cũng có thể mang đến lực đẩy tốt hơn và giảm chất ô nhiễm.

Gốm silicon nitride nhẹ, có tính tương thích sinh học và kháng khuẩn nên là một lựa chọn tiềm năng để ứng dụng trong việc thay khớp. Đa số khớp nhân tạo làm bằng kim loại và cần thay thế cứ mỗi 10 năm, gây tốn kém và đau đớn cho bệnh nhân. "Khớp nhân tạo làm từ gốm có thể tồn tại suốt đời sau khi cấy ghép", Chen nói.

Chen cho biết, vật liệu mới cũng có thể dùng để chế tạo ổ trục turbine gió - bộ phận then chốt kết nối máy phát điện với cánh quạt. Mỗi ổ trục phải chịu vài tấn áp suất trong quá trình vận hành và độ bền của nó quyết định tuổi thọ của cả hệ thống. Gốm silicon nitride mềm dẻo có thể được sử dụng để sản xuất ổ trục với tuổi thọ cao hơn, nhờ đó giảm chi phí năng lượng gió trung bình.

"Việc sản xuất vật liệu gốm này trên quy mô lớn dựa vào các thí nghiệm của chúng tôi là khả thi. Vật liệu có lợi thế rõ ràng về giá trong lĩnh vực thiết bị cao cấp", Chen nói thêm. Ví dụ, sản xuất cánh turbine liền khối dùng trong động cơ phản lực đòi hỏi các vật liệu đất hiếm đắt đỏ, trong khi silicon nitride đắt nhất được bán với giá khoảng 200 USD/kg.